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利用实验室XANES改进电解催化剂

2021-12-27 09:53:17 Kelsey

原位电转换研究

在无碳的未来,储能系统在补偿可再生能源的可变性方面变得越来越重要。电解水制氢代表着潜在的季节性分散式储能的基石。虽然电解,水的电化学分解已经问世好几个世纪了,但其潜在的基本反应仍未被完全理解。特别是对于析氧反应(OER),水电解槽的阳极反应,确切的反应机理和理想的催化剂仍有待研究。在活性和稳定性方面寻求改进的催化剂是很重要的,因为 OER 目前是电解的瓶颈。受光合作用的启发,科学家们研究了锰基催化剂以促进 OER 过程。

尽管锰氧化物是提高 OER 很有前景的候选者,但结果表明它们的催化活性和稳定性在很大程度上取决于制备过程。大多数研究的合成过程在数小时内会造成低活性或劣化。相比之下,使用金属间化合物前体,即 MnGa4,它是一种具有卓越性能的耐用催化剂 。MnGa4前驱体进行原位电转换,详细研究这种化学和结构转变对于提高 OER 至关重要。两种成分的氧化态可以通过联用X射线光电子能谱 (XPS) 和 X射线吸收近边结构光谱(XANES)进行监测。这种联用功能十分强大,因为XPS探测表面,而 XANES是体敏感的。

基于实验室的新型 XANES

德国HPS公司的hiXAS是一种基于实验室的 XAS 解决方案,可用于高分辨率 XANES 和宽带宽 EXAFS 测量,标准配置能量范围 5-12keV。hiXAS使用了基于高效率HAPG晶体的von Hamos光谱仪结构。受益于其非扫描式、多道址同时测量的高效光路,该设备可用于原位测量与过程研究。这个新工具已经使好几个研究领域的应用受益。

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图 1 hiXAS 用于宽带光谱的高效率收集的结构

在本研究中,hiXAS 分别用于记录制备过程中和 OER 循环后 Mn 和 Ga 的 XANES 光谱。图 2 显示了该过程中氧化态的变化。与参考光谱的比较表明,循环后在整个体积内的Mn介于Mn3+和 Mn4+之间,而 Mn4+在表面(表面结果来自 XPS)。Ga从表面消失(XPS 不再检测到),并且内部Ga从金属变为 Ga3+

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图2 左图在合成、沉积和OER过程后,Mn的XANES谱图;右图:Ga相关光谱。箭头表示了由于氧化引起的吸收边移动。



用XANES作为一种无损和快速的测量方法,让在原位条件下跟踪催化剂的演变成为现实。通过这种方法,hiXAS为研究人员提供了对催化剂氧化状态的持续和有价值的信息。


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参考文献

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